黑科技！科学家使用机械活性材料开发出多功能3D介观结构

具有五个独立PZT微致动器的代表性3D介观结构。 A）系统的2D架构的示意图。 B）通过受控双轴压缩屈曲组装后的3D系统图示。 C）布局的扩展视图。 D）3D架构的光学图像。 E）顶部和透视结构的扫描电子显微镜（SEM）图像。 电极（金色）和微致动器（蓝色）。 F）有限元建模的结果，颜色表示显示应变的大小。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aat8313。

微机电系统（MEMS）在生物技术和先进工程等领域中有着广泛的应用。由于该系统在新兴系统中具有很大的发展前景，因此它在材料科学与工程领域中的应用受到了越来越多的关注。当前该技术已在细胞机械生物学、高精度质量传感、微流体学和能量收集等方面得到了广泛应用。该技术涉及领域还包括一些构建精密传感MEMS、模拟机械生物学原理的组织支架，以及在宽频带上进行能量收集等。目前这些器件(微传感器和MEMS)都是用平面结构的机械和电子元件，再利用半导体工业的制造方法(二维(2-D)光刻蚀法)制造出来的。

将二维MEMS扩展到三维范围内可以拥有更广泛的应用，而且这还是当前研究的大热门。在设计和开发生物微机电系统、调制器和射频开关时，动态驱动发挥着至关重要的作用。目前薄膜压电材料是研究致动器的基础，因为它可以在小驱动电压下进行紧凑/轻型结构的快速切换。目前微型机械工程中的研究重点就是如何将这种压电元件转移到复杂的三维框架中去。

在最近的一项研究中，辛宁（音译）和他的同事们提出了通过引导组装和集成异质材料便可形成复杂的三维微尺度的机械结构的方法。该工作结合了多个独立的压电薄膜致动器，用于振动激励和精确控制。为了实现从二维到三维的几何变换，该方法还结合了材料集成与结构屈曲的转换方式。在此，平面或曲线表面上的设计范围可从简单、对称的布局转化到复杂的层次结构。除此之外，进行的实验与计算都系统性的揭示了选择性激发目标振动模态的基本特性和性能，而且这些模态还能够同时测量流体的粘度和密度。这对生物医学工程的发展提供了巨大的前景。最后他们将研究成果发表在了杂志《Science Advances》上。此外，这项结果为这种具有特殊的机械活性3-D介观结构的大规模应用奠定了基础。

科学家们利用转移印花的前沿方法将超薄压电薄膜和韧性金属整合到了聚合物层中，而且这些聚合物层是以光刻方式形成二维几何图形。受控机械屈曲将二维多功能材料结构转换成真正意义上的3-D结构。整个过程都是利用有限元分析对三维力学响应进行建模，从而可以选择结构拓扑和致动器位置，最后设计出具有位移和分布的控制动力学模型。

在本研究中，作者一开始在二维前驱体结构的形成这方面入手，设计并组装了三维机械介观结构。该方法通过微细加工和转移印花过程集成了多种功能材料。该系统还包括以Pb(Zr0.52Ti0.48)O3(PZT)作为机械致动器、金(Au)作为电极和电互连元件的光致变色环氧骨架。而且在此基础上聚酰亚胺层（PI）会封装除选区以外的系统。这些区域可将3-D结构粘结到下面的弹性体结构上，可作为电探测的接触点。作者利用机械引导的压缩屈曲过程，并通过释放底层弹性基体中的预应变，最终将二维前驱体转变为三维结构。此外，实验的光镜图和SEM图像都详细描述了五个独立的PZT致动器的位置，一个在中心位置，其余四个在支撑腿上。

通过结构屈曲组装3D活动介观结构。 图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aat8313。

本研究中所进行的定量有限元分析作为优化PZT和金属层的位置的方法，可确保在压缩屈曲期间的结构完整性。而且研究人员事先预测的三维结构也与实验真实观测结果完全一致。在此项研究中，研究人员们开发出的这种制造活性介结构的方法也为不同类型三维微尺度结构的研究提供了新思路。

复杂几何布局的变化可以形成独特的三维微尺度结构。微结构包括一些复杂的几何形状，比如有些形状类似于昆虫的翅膀和四条腿，而有些不对称的三维形状类似于金字塔桁架或桌架结构。当然，这每一个几何结构都可以通过完美匹配实验数据的有限元法进行计算，以证明微加工过程的精度。

具有集成PZT微致动器的多种微架构。 A）由两个PZT微致动器形成的桥结构。 B）机翼上带有一对执行器的飞行结构。 C）具有三个致动器的倾斜金字塔桁架结构。 D）四腿桌面结构，每条腿上有一个致动器。 随附的等高线图显示了电极和PZT微致动器中最大主应变的代表性FEA建模。 图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aat8313。

研究人员还研究了PZT微致动器激发的三维介观结构在各种几何形状下的振动特性。PZT微致动器被开创性地放置在三维几何结构的感兴趣区域以用来控制动态行为和共振模式。

PZT微致动器开创性激发出的3D几何形状的振动模式。 图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aat8313。

此研究中，开发的全新三维设计将两种完全不同且分离的共振模式引入到了介观结构中。而且这种共振频率能够将流体的粘度和密度的灵敏度分离为两个独立的可测物理量。这种优化的三维介观结构还能够分别测量各种牛顿流体的粘度和密度。这与传统的二维谐振腔不同，二维谐振腔对黏度和密度参数都很敏感，因此不能精确区分这两个参数。通常在高粘流体中，为了精确测量高频振动和质量因子，一般采用诸如多普勒振动计或精密校准的应变传感器等这类先进的实验仪器。但这些仪器或多或少都存在着一些问题，而新开发的三维介观结构却完美克服这个难题。因此使用三维介观结构是一种更简单且精度更高的办法。

三维结构的集体测量能力表明了它们在医疗和工业中的复杂流体方面有着的广泛用途。这种三维结构具有很好的顺应性，因此可以作为内置传感器装置在医疗设备的表面。例如，作者建议将此介观结构整合在心血管支架上（一种可促进动脉粥硬化与变形动脉患者血液流动的装置），以精确测量支架环境中的血流动力学。

将3D设备集成到生物医学设备上。 A）具有对应于管1,2和3的三个介观结构的心血管支架.B）该装置可以随支架变形，表明适合于体内血液动力学测量。 图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aat8313。

本次研究展示了将功能优良的高性能压电材料集成到复杂的三维结构中的能力，而且这些结构可用于具有活性、高精度和可编程功能的特殊材料中。本次研究中的集成材料可以促进三维MEMS及相关技术的发展，也为多学科领域内先进传感的应用提供了技术支持。

文章来自phys.org，原文题目为：Engineering 3-D mesostructures with mechanically active materials，由材料科技在线汇总整理。